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第一篇 绪论
第1章 防护林与防护林生态学
森林是陆地生态系统的主体，是人类赖以生存和发展的重要物质基础，对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用。人类对森林的认识：经历了盲目破坏、毁林开荒和单纯为了取得木材而进行的掠夺式采伐，导致生态环境急剧恶化；之后，开始自觉保护与扩大森林资源，充分发挥森林的多种生态服务功能，改善生态环境，并以国家运作方式大规模营建森林，即防护林生态工程发展的漫长阶段。营建防护林生态工程已成为世界各国应对自然灾害、维护基础设施、促进经济发展、改善区域环境和维持生态平衡的主要手段。伴随着世界范围内防护林生态工程（林业生态工程的主体）的建设与发展，与之对应的“防护林学”应运而生，并在科技支撑防护林生态工程建设中逐渐得到完善；随着生态学的不断发展，生态学原理更加深入地应用到防护林学领域，逐渐形成了防护林生态学研究范畴和发展框架。
1.1 防护林
1.1.1 防护林的起源
森林是重要的自然资源之一，是人类生存发展、人类文明进步的摇篮和重要生态保障（朱教君和张金鑫， 2016），是改善环境与发展经济的纽带，这是国际社会普遍共识。从古至今，森林和人类始终有着不解之缘，正如中国林学家、森林生态学家王战所述：“万物土中生，森林育万物；万物人为主，人生靠万物。”
在人类文明历史发展过程中，早在“天人混沌”的原始文明时期，人类对森林的认识实际上属于一种朴素的生态唯物观，人类完全生活在森林之中，将森林作为庇护所。人类对森林资源的利用主要是制作工具与建造巢室。在整个原始文明阶段，由于人口少、生产力低，原始人类只能顺从自然规律生活，盲目崇拜自然，人类对森林的破坏和影响微不足道。这一阶段人类对森林资源的认识尚处在蒙昧状态。
随着人类逐步向前发展，进入“天人渐离”的农耕文明阶段，对森林的索取日益增多，森林资源锐减。大约 1万年前，人类开始有意识地从事谷物栽培，出现农耕文明。农耕的出现使人类与森林环境之间的关系产生了新变化。人类的“火猎”活动曾大片地毁灭森林，但不是有意识地毁灭森林，而只是想猎获林中的禽兽；“火猎”结束，森林依靠自我更新机制即可恢复。但是，人类农耕的主要目的是生产食用植物和其他经济作物，为了扩大农业用地，就必须有意识地毁伐森林，永久性地占用大量林地。为了清除森林以扩大农用土地，放火烧荒很自然地成为人们占有森林的有力手段。铁器出现以后，铁犁、铁锄、铁砍刀等大大增强了人类为发展农耕而破坏森林的能力。同时，人口增长的压力迫使人们大量砍伐森林辟为农田，造成森林覆盖率急剧下降，从而导致水土流失、地力下降、土地盐碱化、风沙干旱、洪水泛滥等灾害频繁发生，保护农耕的基础（森林）被摧毁，已威胁人类的生存与发展。例如，远在 3000年前，黄土高原地区还是林木蔽天、水草丰盛的地方。西周时，这里尚有森林 3200万 hm2，森林覆盖率高达 53%（樊宝敏等，2003）。秦统一中国后，由于大兴土木（如修建阿房宫、筑长城，推行移民屯垦政策等），大面积毁林开荒，加上历代封建王朝南征北战，严重破坏了森林植被，使黄土高原变成赤地千里、荒山秃岭。据记载，秦汉时，平均每 26年发生 1次洪水；三国五代时，平均每 10年发生 1次洪水；北宋时，平均每年发生 1次洪水。由于失去森林覆盖和保护，大量水土流失造成了黄土高原干旱和贫瘠，大量泥沙沉积导致河床抬高，因而决堤、改道事故频繁发生（樊宝敏等， 2003）。英国在远古时期曾拥有很多茂密的森林，直到 12世纪森林覆盖率仍在 20%以上。从 13世纪起，随着人口的增加，大面积的毁林开垦使森林覆盖率下降到 5%（张建国和吴静和，2002）。早在公元 800年，德国由于毁林开垦使森林遭受严重破坏，森林覆盖率下降至 25%，公元 1000～1350年毁林开垦达到高潮，有 67%的森林消失（张建国和吴静和， 2002）。在世界其他地区，森林植被的大面积破坏昀终导致一些古老文明的衰落或消失，如两河流域的苏美尔文明，中北美洲低地丛林的玛雅文明，地中海沿岸的腓尼基文明，古希腊文明和古罗马文明以及北非和小亚细亚地区的文明等（马光，2014）。
农业耕地的开垦加速了大片森林的毁灭。随着人类文明的发展，毁林垦荒对森林植被的破坏，以及人口急剧增长对环境的压力，造成生态环境日益恶化。土地退化、生态失调、植被破坏 导致的水土流失严重、旱涝灾害频繁、风沙危害加剧等环境问题呈加速发展的趋势。几千年来，在广大的平原和部分丘陵山地，由于农业生产发展，淘汰了作为现代**优势种类的森林，原始良好的生态环境逐渐萎缩和消失，气候、水文、土壤等条件恶化。同时，单一的农业结构破坏了原有自然的生物平衡，农业生态系统抗逆功能脆弱（曹新孙，1983），水土流失、风沙干旱加剧（姜凤岐等， 2003）。正是源于人们对天然森林加速消失的意识，人类逐渐认识到利用森林的防护功能的重要性，这种朴素的、实践体验出的认识逐渐成了人们的共识，这便形成了防护林的初始概念（高志义，1997；朱教君，2013）。
人类在破坏森林植被的同时，也意识到了森林的作用，开始自发地保护森林和营造人工林。远在距今三千多年前的周朝，就有种植堤岸人工林用以保护河岸堤防及道路的记载。人工林造林先是在平原地区进行，之后发展到丘陵和山区。昀先发展的是风景林，在村庄周围和村内街道及庭院内种植树木，可起到美化和改善环境的作用。据《周礼》记载，在两千多年前的先秦时代就已沿道路种植行道树，用于绿化护路和植树计程。保存至今的四川北部古栈道之上的古柏行道树主要栽植于明代。洞庭湖于唐代在沅江筑堤垸，南宋围湖屯田，开始试造防浪护堤林。明代万历年间，清水江畔的苗侗人就开始了“开坎砌田，挖山栽杉”的山田互补、林粮间作的农林结合生产方式（朱教君和张金鑫，2016）。
随着 19世纪工业革命的兴起，人类进入“天人相悖”的工业文明阶段，人口急剧膨胀，人类对自然资源的需求不断升级，对森林资源，特别是对天然林的过度开发，导致生态环境逐渐恶化，威胁人类生存和发展（高志义， 1997）。人们逐渐认识到保护和合理开发利用森林资源的重要性，并开始有规划、有目的地保护森林、营造人工林，以发挥森林的防护功能，防止各种各样危及人类生活与生产的自然灾害（如风蚀、沙化、水土流失、泥石流等）发生。例如， 19世纪后期至 20世纪 30年代，美国各种自然灾害频发，为改变中西部大平原地区的单调景观和防风固沙，在河岸、农田及居民区附近植树造林。 1873年，美国通过的《木材教育法案》号召在农场营造防护林带，以取得木材、改变平原单调景观。 1924年，美国实施了“ Clarke-MeNary计划”，营造森林，防止水土流失，保护农田、牧场，改善小气候，提高作物、牧草和牲畜产量（朱教君， 1993）。18世纪后期到 19世纪初，英国制定的许多农业土壤改良措施都提及了为暴露的农田提供防护林的重要性，同时，在英国多风的沿海地区的农场，为满足农业发展的需要，一直重视防护林带的建设。早在 1866年，丹麦开垦犹特兰岛广大沙荒地区，开始营造护林带。18世纪，苏格兰在受强风袭击的滨海地带营造林带。19世纪，英格兰在东部荒地营造防护林，保护农业生产（姜凤岐等，2003）。
全球工业化和现代化进程加速，环境污染和生态破坏日趋严重，导致自然灾害频繁发生、水土流失和荒漠化严重、森林草地资源锐减、生物多样性减少和全球气候变化等。 19世纪中期，在俄罗斯和乌克兰草原区域，由于过度垦伐，“黑风暴”频繁出现。19世纪后期至 20世纪 30年代，在美国大平原地区（密西西比河以西和洛杉矶以东），为获取耕地，人们进行了大范围开发，导致 1934年发生了大范围、长时间的“黑风暴”（Munns and Stoeckeler，1946；朱教君， 1993；姜凤岐等， 2003）。日趋严重的生态环境问题使人们认识到生态危机的严峻性和森林生态服务功能的重要性，并开始以国家运作方式大规模营建森林（防护林生态工程）（姜凤岐， 2011）。例如，美国、苏联和日本分别于 20世纪 30年代中期、40年代末和 50年代中期实施了美国大平原各州林业工程、斯大林改造大自然计划和日本治山治水防护林生态工程，中国则在 20世纪 50年代初实施了中国东北西部、内蒙古东部防护林建设工程。这些以国家运作方式开展的防护林生态工程，在世界范围内开创了防护林生态工程建设的先河（朱教君， 2013）。同时，人类文明也发展到“天人和谐”的生态文明阶段。
1.1.2 营建防护林的目的
防护林是以发挥森林的防护功能为主要目的的森林，因此，营建（构建与经营的合称）防护林是世界各国应对自然灾害和生态问题而采取的重要防治措施（曹新孙， 1981；Zagas et al.，2011；朱教君等，2016；Zhu and Song，2021）。随着全球生态环境日益恶化，森林生态服务功能逐渐为人们所认知，更加凸显了防护林建设的重要性。特别是防护林作为农林生态系统中的重要组成部分，对维护生态平衡、减少自然灾害、保障和促进农牧业生产和缓解全球气候变化等具有重要意义（朱教君等， 2016）。营建防护林的主要目的包括以下四个方面。
1.1.2.1 控制土地荒漠化
土地荒漠化是指人类历史时期以来，由于人类不合理的经济活动和脆弱生态环境相互作用造成土地生产力下降、土地资源丧失、地表呈现类似荒漠景观的土地退化过程（朱震达，1998；姜凤岐等， 2003），主要表现为干旱、风沙危害和水土流失（姜凤岐等， 2009）。土地荒漠化的发生、发展及其逆转是气候、环境和人类社会经济活动综合作用的结果，已成为危及人类生存与社会经济可持续发展的重大生态环境问题（姜凤岐等， 2003）。全世界约 1/3的陆地面积和 1/6的人口受到土地荒漠化影响，全球每年新增土地荒漠化面积为 5万～ 7万 km2，造成的直接经济损失约为 430亿美元（孙技星等， 2021）。我国是世界上荒漠化面积较大、受影响人口较多、受风沙危害和水土流失较重的国家之一，根据第五次全国荒漠化和沙化监测结果（ 2016年），全国荒漠化土地面积 261.16万 km2，沙化土地面积172.12万 km2，分别占国土总面积的 27.2%和 17.9%。以中国东北西部、华北北部和西北大部分地区（简称三北地区）为主体的中国土地荒漠化的进展速度长期处于攀升态势， 21世纪虽有所减缓但仍在高位运行。以三北地区沙漠化为例，该区沙漠化土地面积在 1978～ 2000年一直处于增加状态，至 2000年沙漠化土地面积达到峰值（由 1978年的 31.1万 km2到 2000年的 37.6万 km2），之后才开始出现减少趋势， 2017年沙漠化面积仍为 35.8万 km2（朱教君和郑晓， 2019）。再如，科尔沁沙地沙化土地面积占科尔沁沙地总土地面积的比例，从 20世纪 50年代的 22%一路攀升到 80年代的 48%和 90年代的 54%（姜凤岐，2011），直到 21世纪初才有所缓解。目前仍在急剧扩张的甘肃民勤和内蒙古呼伦贝尔沙地，环境恶化的形势尤其突出（姜凤岐等，2009）。进入 21世纪以来，尽管我国荒漠化持续减少，但荒漠化依然严重，防治形势仍然严峻。
土壤侵蚀（主要为风蚀和水蚀）是导致土地荒漠化的主要原因，而防护林是控制土壤侵蚀有效的手段之一。由于防护林可以改变下垫面粗糙度，使地表空气层的物理状态发生剧烈变化，形成特有的热力和动力效应，对于调节微气候环境起着决定性作用（姜凤岐等， 2003）。在沙漠化危害较为严重的地区，建立防护林，恢复沙区植被，固定流动沙丘，控制沙漠化蔓延，不仅能有效减缓风速、固定流沙，而且对沙地水资源状况有一定的改善作用。营造防护林是防治流沙、改造利用沙地的根本途径，也是在沙区保护农牧业生产和林业建设的重点工作（朱教君等， 2016）。对于水蚀，防护林通过林冠截留和枯枝落叶层吸水，能够减缓地表径流速度，推迟地表径流形成时间，提高土壤
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